Note technique 2 :

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Le défi des centrales photovoltaïques sur anciennes décharges

   

 

Le tassement différentiel du sol sur une décharge peut entraîner des problèmes de maintenance des installations photovoltaïques. Ils se traduisent d’une part par des changements d’orientation de panneaux induisant une baisse de la production électrique, et d’autre part, par des dommages infligés à la membrane d’étanchéité de la décharge, destinée à contenir les polluants de la masse de déchets. Ces dommages engendrent à leur tour des infiltrations excessives d’eaux de surface, qui participent à l’altération de la masse de déchets et amplifient les phénomènes de mouvements de terrain.


    Voici les facteurs qui participent dans le temps à l’instabilité de la masse de déchets, provoquant tassements, affaissements, glissements et autres altérations topologiques non homogènes et imprévisibles, préjudiciables au bon fonctionnement et à la rentabilité d'une installation solaire :

Figure 1 : Coupe transversale d'une décharge,

problèmes de stabilité et déformations 

I. Composition de la masse de déchets


1) Hétérogénéité des déchets : l’hétérogénéité des déchets et la variabilité de cette hétérogénéité dans les trois dimensions à l’intérieur d’une même décharge et entre les décharges, est fonction de la nature du mélange et de l’âge du dépôt.

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Figure 2 : Principales catégories de déchets susceptibles de subir des taux de tassement variables dans un site de décharge supportant une centrale PV.
Ces taux sont à leur tour influencés par la teneur en eau gravimétrique et volumétrique des déchets.

Figure 3 : Rythme de dégradation type des composants d'une décharge et évolution du tassement au cours du temps.
Les dégradations principales régissant le tassement secondaire des déchets sont mécaniques, physico-chimiques et biochimiques,

ces trois formes interagissent entre elles.

2) Porosité : la densité et la porosité des différents composants des déchets sont irrégulièrement réparties. La proportion et la répartition inconstantes des vides dans la masse influent sur l’évolution irrégulière de la physionomie du site (II.7, IV.3).


3) Humidité : la teneur en humidité entre la micro-porosité et la macro-porosité et leur niveau de saturation (concept de double porosité) ont une influence hydromécanique sur la masse de la décharge. Leurs répartitions irrégulières dans la hauteur de la colonne de déchets induit dans le temps des niveaux d’altérations variables.


4) Imbrication : Les propriétés de flexibilité de la masse varient en fonction de l’enchevêtrement des différents éléments fibreux qui la composent.


5) Compressibilité des déchets et variabilité anisotropique : les différents paramètres de résistance et de rigidité face à la pression participent aux différents taux de tassement


6) Âge du dépôt : de l’âge du dépôt dépend sa composition. La proportion de la matière organique et des matériaux facilement dégradables diminue (III.1). Les propriétés structurelles du dépôt évoluent donc tout au long des premières décennies de sa vie.

 


 II. Facteurs mécaniques participant à l’altération de la masse de déchets


1) Compression physique due à la flexion, à la modification des pressions, à l’écrasement, aux tassements liés au déplacement des particules et aux phénomènes de consolidation (II.7), à la décomposition des composants organiques (III.1), aux comportements visqueux.


2) Hauteur de la colonne de déchets : les contraintes de compressions verticales en sont dépendantes (II.1).


3) Forme : la forme de la masse de déchets influence les contraintes de compressions latérales et verticales favorisant les tassements et les affaissements non homogènes. Tertres ou buttes induisent des différences d’épaisseurs entre les zones périphériques et les zones centrales entraînant des contraintes gravitationnelles différentes d’une forme en plateau.


4) Pentes : la stabilité des pentes en fonction de la géométrie de la masse de déchets (inclinaisons, hauteur, remblais intermédiaires) celle des différentes couches de déchets qui constituent la pente, les caractéristiques mécaniques des matériaux constitutifs, les conditions de pression de l’eau interstitielle et les contraintes dynamiques de la pente participent à la singularité de chaque tassement.


5) Cisaillement : les contraintes de cisaillements sont difficiles à déterminer du fait de l’hétérogénéité des dépôts, des difficultés à obtenir et à tester des échantillons représentatifs, des propriétés variant dans le temps, de la déformation et de la potentielle incompatibilité entre la masse de déchets et les matériaux sous-jacents. Le potentiel de cisaillement est lié à l’imbrication (I.4) et participe à la fragmentation (III,2).


6) Percolation et infiltration : les problèmes de stabilité sont souvent la conséquence d’un excès de percolation d’eau dans une ancienne décharge (V.1). La saturation en eau des espaces vides de la masse de déchets (I.2) se traduit par un changement de poids du corps des déchets créant une pression d’eau interstitielle excessive. La saturation en eau peut aussi provoquer par gravité une augmentation de la pression des gaz et à son tour modifier le taux de compression sur les déchets avoisinants (IV.2).


7) Déplacements de matière : les flux d’eau (II.6) participent au déplacement gravitaire de la matière fragmentée, participant au comblement graduel des vides et consolidant les horizons inférieurs.

 


 III. Facteurs bio-physico-chimiques participant à l’altération de la masse de déchets


1) Biodégradation aérobique et anaérobique de la matière organique : elle participe à la seconde phase de tassements. Elle peut durer 30 – 50 ans et est influencée par la circulation des lixiviats (IV.1) et des gaz (IV.3) (cf. aération forcée).


2) Modifications physico-chimiques comme la corrosion, l’oxydation qui participent à l’altération de la matière organique, des métaux, des plastiques et à leur fragmentation.

 


 IV. Produits de l’altération


1) Lixiviats : ils sont issus de la dégradation des matières organiques et inorganiques par l’eau et influencent la pression interne des liquides. Les lixiviats circulant dans la masse de déchets participent à des réactions physico-chimiques et à de nouvelles altérations (III).


2) Gaz : L’accumulation souterraine de gaz issus de l’altération tels que le méthane ou le dioxyde de carbone se fait dans les espaces vides et interstitiels de la masse de déchets. En interaction avec l’azote et l’oxygène, l’accumulation modifie dans le temps le taux de tassement et les caractéristiques d’échappement. La température et le pH influencent leur production. Les explosions de gaz, le niveau de vibrations ambiant et la liquéfaction ont des impacts forts sur la topologie du site tels que cratères et glissements de terrain. La perméabilité au gaz et les chemins d’écoulement dans la masse de déchets (diffusion entre les fissures et la matrice de déchets environnante) varient dans la colonne de déchets.


3) Vides : ils sont créés par la disparition et la dissolution des matières dégradées, l’enlèvement de la matière fragmentée (II.7)

 


 V. Facteurs environnementaux liés aux caractéristiques du site hôte


1) Précipitations locales : Les précipitations entraînent des ruissellements et l’érosion qui en résulte peut déstabiliser les semelles, ballastes ou gabions supportant les panneaux solaires. Les panneaux peuvent alors subir une désorientation et le déplacement du ballast provoquer une altération de la géomembrane qui couvre la surface de l’ancienne décharge. Les précipitations et les ruissellements
sont à l’origine d’infiltrations et de percolation (II.6).


2) Topologie et inondation : les sites à risques d’inondations comme les sites de vallées, proches de cours d’eau ou de ponceaux sont fréquemment utilisés pour l’enfouissement de déchets, notamment en Afrique près des principaux centres de population. Ces inondations peuvent avoir un fort impact sur les masses de déchets instables.


3) Hydrologie souterraine


4) Infrastructures: la présence de barrières de périphérie dans les décharges est nécessaire mais peut agir sur la masse de déchets adjacente et influencer localement les phénomènes de tassement.


 Conclusion :


L’évolution de chacun des facteurs notés ci-dessus et leurs interactions peuvent être mesurées in situ ou être estimées mathématiquement. Pour autant, la complexité de ces interactions empêche toute prédiction des déformations exactes de la surface d’un site. Ce qui est donc préoccupant, c’est qu’il n’est pas possible de prévoir les éventuels changements d’orientation de chaque panneau solaire vis-à-vis de leur cible, le soleil. Il n’y a à ce jour aucune maîtrise de l’impact de ces altérations physiques des sites sur les performances des centrales photovoltaïques qu’ils accueillent. Les gestionnaires des centrales solaires à configuration standard en «String Series » (montage sériel des panneaux) avec onduleurs de chaînes ou onduleurs centraux ne disposent d’aucun outil pour un suivi permanent, détaillé, permettant des interventions ciblées, rapides et appropriées rendant possible une maintenance efficace face aux transformations du terrain durant les 30 années d’exploitation.

Lecture supplémentaire :

 

How does solar on capped landfills work? (solarpowerworldonline.com)